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使用豪斯霍尔德变换的片段量子嵌入:基于系综的多态扩展。

Fragment quantum embedding using the Householder transformation: A multi-state extension based on ensembles.

作者信息

Cernatic Filip, Fromager Emmanuel, Yalouz Saad

机构信息

Laboratoire de Chimie Quantique, Institut de Chimie, CNRS/Université de Strasbourg, 4 rue Blaise Pascal, 67000 Strasbourg, France.

出版信息

J Chem Phys. 2024 Sep 28;161(12). doi: 10.1063/5.0229787.

DOI:10.1063/5.0229787
PMID:39311076
Abstract

In recent studies by Yalouz et al. [J. Chem. Phys. 157, 214112 (2022)] and Sekaran et al. [Phys. Rev. B 104, 035121 (2021) and Computation 10, 45 (2022)], density matrix embedding theory (DMET) has been reformulated through the use of the Householder transformation as a novel tool to embed a fragment within extended systems. The transformation was applied to a reference non-interacting one-electron reduced density matrix to construct fragments' bath orbitals, which are crucial for subsequent ground state calculations. In the present work, we expand upon these previous developments and extend the utilization of the Householder transformation to the description of multiple electronic states, including ground and excited states. Based on an ensemble noninteracting density matrix, we demonstrate the feasibility of achieving exact fragment embedding through successive Householder transformations, resulting in a larger set of bath orbitals. We analytically prove that the number of additional bath orbitals scales directly with the number of fractionally occupied natural orbitals in the reference ensemble density matrix. A connection with the regular DMET bath construction is also made. Then, we illustrate the use of this ensemble embedding tool in single-shot DMET calculations to describe both ground and first excited states in a Hubbard lattice model and an ab initio hydrogen system. Finally, we discuss avenues for enhancing ensemble embedding through self-consistency and explore potential future directions.

摘要

在Yalouz等人[《化学物理杂志》157, 214112 (2022)]以及Sekaran等人[《物理评论B》104, 035121 (2021)和《计算》10, 45 (2022)]最近的研究中,密度矩阵嵌入理论(DMET)已通过使用豪斯霍尔德变换进行了重新表述,作为将一个片段嵌入扩展系统的一种新工具。该变换应用于参考非相互作用单电子约化密度矩阵,以构建片段的浴轨道,这对于后续的基态计算至关重要。在本工作中,我们在这些先前发展的基础上进行拓展,并将豪斯霍尔德变换的应用扩展到对包括基态和激发态在内的多个电子态的描述。基于一个系综非相互作用密度矩阵,我们证明了通过连续的豪斯霍尔德变换实现精确片段嵌入的可行性,从而得到更大的一组浴轨道。我们通过分析证明,额外浴轨道的数量与参考系综密度矩阵中部分占据自然轨道的数量直接成比例。还建立了与常规DMET浴构造的联系。然后,我们说明了这种系综嵌入工具在单次DMET计算中的应用,以描述哈伯德晶格模型和一个从头算氢系统中的基态和第一激发态。最后,我们讨论了通过自洽增强系综嵌入的途径,并探索潜在的未来方向。

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